Саяно-Шушенская ГЭС, август девятого: как это было

Чтобы понять и осмыслить случившееся на Саяно-Шушенской ГЭС утром 17 августа 2009 года, когда была разрушена самая мощная в стране гидроэлектростанция и погибли 75 человек обслуживающего и ремонтного персонала, надо ответить на три вопроса:

1. Почему разрушились шпильки крепления крышки турбины гидроагрегата № 2?

2. Почему ротор гидроагрегата весом более полутора тысяч тонн поднялся и полностью вышел из шахты турбины?

3. Почему после выхода турбины из своей камеры (камеры рабочего колеса турбины), и освобождения протока воды в нижний бьеф через отсасывающую трубу (ОТ), из шахты турбины внезапно ударил мощный фонтан на высоту 80-100 метров, снёсший три пролета перекрытия машинного зала, в считанные секунды затопивший станцию и погубивший почти весь обслуживающий и ремонтный персонал станции?

На первый взгляд все эти три события выглядят противоестественными, противоречащими законам физики:

1. Крепление крышки турбины к её статору, состоящее из 80-и шпилек диаметром 80 мм. из стали марки Ст.35, по прочности в 1,25 раза выше прочности железобетонного трубопровода, подводящего воду к турбине. При нормальной работе агрегата все рабочие усилия направлены вниз, и даже при переходных процессах запас прочности шпилек такой, что разрушение их от давления снизу невозможно [1].

2. Поток воды, действующий на крышку турбины снизу может поднять ротор агрегата только на 1 м., ротор же поднялся на высоту 6 м. [2].

3. После подъема ротора и полного освобождения проходного сечения отсасывающей трубы поток воды, падая с высоты верхнего бьефа в нижний, не должен возвращаться назад вверх на высоту 80-100 м. [3]. Были ли зафиксированы случаи, когда вода в водопаде («Ниагара» в Америке, или «Виктория» в Африке) возвращалась назад, вверх на половину высоты своего падения?

Назначенная правительством РФ комиссия Ростехнадзора по расследованию причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС не ответила ни на один из этих вопросов.

Не выдерживает критики ответ на первый вопрос. Выдав такое заключение о причине разрушения шпилек (усталость металла из-за повышенной радиальной вибрации турбинного подшипника [4]), комиссия не задумалась, и вряд ли может объяснить:

• – почему при радиальной (горизонтальной) вибрации (колебаниях относительно положения равновесия) шпиьки не ломаются внизу (по выходе резьбы из статорного опорного кольца), а разрываются вверху под гайкой [5];
• – почему есть цвета побежалости на поверхности разрывов, которые развивались по механизму усталости в течение 28 лет [6];
• – почему при радиальной вибрации направление развития трещин на всех шпильках не радиальное, а тангенциальное [7];
• – и др.: [8], [9].

А подъем ротора гидроагрегата и внезапное затопление станции комиссия (также не вдаваясь в обоснования) объяснила большим напором воды. При этом причину внезапного образования мощного фонтана из шахты агрегата комиссия вообще не исследовала.

Да, с первого взгляда всё представляется фантастикой или действием третьих сил. Но если посмотреть ещё раз, то всё произошедшее выглядит совершенно естественным (но до ужаса безобразным). Всё по законам физики, ничего паранормального и никаких доселе ещё не опознанных Человечеством естественных природных явлений. Всё «знакомо до боли».

Задевание

На рис. 1 ротор гидроагрегата СШГЭС. Конкретно, его верхняя часть – ротор электрогенератора. Он вращается со скоростью 142,8 об/мин. Кинетическая энергия вращения ротора огромна. (Специалистам, зная массу его частей и их габариты, не сложно рассчитать величину этой энергии).

Что будет, если при вращении какая-то часть ротора по какой-то причине заденет за какую-то неподвижную часть статора? Последствия непредсказуемы. На рис. 2 ротор цилиндра среднего давления (РСД) паровой турбины К-300-240 ЛМЗ после задевания [10].

(Из-за задевания погиб «Титаник» с пассажирами и командой).

По виду поверхности разрывов шпилек, по расположению разрывов по высоте шпилек, по наличию цветов побежалости на поверхности разрывов и по нескольким другим фактам видно, что причиной разрушения шпилек было именно задевание вращающегося ротора за неподвижные части статора турбины [9]. Ближайшим к шпилькам «виновником» их разрушения является верхнее лабиринтное уплотнение рабочего колеса турбины.

На рис. 3 конструкция верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса [11]. Оно имеет форму конуса (ёлочки), и в нем возможно задевание как при смещении рабочего колеса по горизонтали, так и при смещении его по вертикали.

Во всех турбинах с целью предотвращения серьёзных повреждений при задевании стремятся набирать лабиринты уплотнений из как можно тонких деталей (усиков). Чтобы при взаимных касаниях они истирались, сминались без больших усилий .

Ранее на СШГЭС были случаи повреждений лабиринтных уплотнений рабочих колес турбин (рис. 4 [11]).

«В процессе эксплуатации на одном агрегате (№5) было обнаружено повреждение верхнего лабиринта из-за отслоения нержавеющей облицовки. Этот дефект вызвал необходимость заменить на всех агрегатах «слоеную» конструкцию на цельную толстостенную из нержавеющей стали 06Х12Н3Д (рис.3, узел I). Проведенная реконструкция лабиринтов обеспечила их надежную работу в течение многих лет» [11].

«В течение многих лет» – до утра 17.08.2009 г., когда «цельная толстостенная из нержавеющей стали 06Х12Н3Д» облицовка при задевании «не захотела» истираться, сминаться без больших усилий. Величина возросших усилий при её сопротивлении истиранию стала достаточной для срыва шпилек за несколько оборотов ротора при задевании.

В 1983 году на Нурекской ГЭС именно по причине аварийного состояния верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса гидроагрегата № 1 были сорваны 50 шпилек из 72, крепящих крышку его турбины [12].

(На «Титанике» при задевании «слабым звеном» оказались также крепежные элементы – заклепки, крепящие листы обшивки корпуса).

Подъем ротора

На рис. 5 рабочее колесо радиально-осевой турбины гидроагрегата СШГЭС.

На рис. 6 – рабочее колесо поворотно-лопастной турбины.

На рис. 7 – гребные винты «Титаника».

Что объединяет эти конструкции? Все они – винты. Набор лопастей с винтовыми поверхностями. Функциональное их назначение разное, но они обладают свойством обратимости. Гребной винт может обратиться турбиной и наоборот. (На гидроаккумулирующих ГЭС (ГАЭС) радиально-осевая турбина работает ещё и как насос).

В радиально-осевой турбине при номинальном расходе воды скорости потоков в межлопастных каналах больше линейной скорости выходных кромок лопастей. В этом случае турбина работает как турбина. При прикрытии лопаток направляющего аппарата, через который подается вода на турбину, скорости потоков в межлопастных каналах становятся меньше линейной скорости выходных кромок лопастей, выходные кромки начинают работать как гребной винт. На роторе гидроагрегата появляется отрицательная подъемная сила. (При работе гидроагрегата все силы, направленные вниз – положительные).

В поворотно-лопастной турбине этого не происходит. С прикрытием лопаток направляющего аппарата на соответствующий угол поворачиваются лопасти турбины, скорости потоков воды в межлопастных каналах остаются прежними.

С появлением на роторе отрицательной (подъемной) силы весьма опасно допускать резкое увеличение угловой скорости его вращения. В этом случае отрицательная подъемная сила может превысить вес ротора, ротор может подняться (всплыть). В частности, это может произойти при резком сбросе полезной нагрузки (активной мощности), снимаемой с электрогенератора.

Математически это выглядит так: , где – момент на валу, создаваемый потоком воды; – полезная нагрузка генератора; – момент инерции ротора агрегата; – угловая скорость вращения ротора агрегата.

Если в процессе работы агрегата произошло уменьшение полезной нагрузки, избыток движущего момента над моментом сопротивления пойдет на увеличение составляющей . Но так как момент инерции ротора есть величина постоянная, то произойдет увеличение только .

Применительно к агрегатам на СШГЭС сброс полезной нагрузки не должен превышать 15?20 МВт/сек. Утром 17.08.2009 г. при переходном режиме, когда лопатки направляющего аппарата стали прикрываться был допущен моментальный сброс нагрузки на 100 МВт (рис. 8 – фиолетовая линия).

На графике линия активной мощности генератора не имеет отклонения от вертикали, следовательно, скорость сброса была намного больше 100 МВт/сек. Соответственно и импульс на подъем-всплытие ротора был достаточным для перемещения ротора по вертикали на величину вертикальных зазоров (2,5 мм – рис. 3) в верхнем лабиринте. Через одну секунду после момента сброса нагрузки датчик вертикальной вибрации опоры подпятника ударно зашкалило (рис. 9).

Ротор всплыл, вертикальные зазоры в верхнем лабиринте «схлопнулись», произошло касание подвижной части лабиринта на рабочем колесе и неподвижной его части на крышке турбины.

Свидетельством «схлопывания» зазоров в верхнем лабиринте является падение давления под крышкой турбины (полость между крышкой и верхним ободом рабочего колеса) (рис. 10).

Итак, время, отмеченное в «черном ящике» на графике (тренде) вертикальной вибрации опоры подпятника, – 08.13.25.199 – это момент начала аварии гидроагрегата № 2 СШГЭС.

(Команда на такой сброс нагрузки по трагичности последствий ее выполнения была «равноценна» команде первого помощника капитана «Титаника»: «Стоп машины! Полный назад!», когда до внезапно обнаруженного айсберга оставалось всего 600 метров. Специалисты утверждали, что не следовало пытаться остановить судно, а только переложить руль влево, тогда, несмотря на огромные габариты судна, оно могло бы увернуться и не задеть айсберг).

Из интервью Олега Мякишева – дежурного машиниста СШГЭС, очевидца событий:

«Я стоял наверху, услышал какой-то нарастающий шум, потом увидел, как поднимается, дыбится рифленое покрытие гидроагрегата. Потом видел, как из-под него поднимается ротор. Он вращался. Глаза в это не верили. Он поднялся метра на три. Полетели камни, куски арматуры, мы начали от них уворачиваться. Рифленка была где-то под крышей уже, да и саму крышу разнесло. Я прикинул: поднимается вода, 380 кубов в секунду, и – деру, в сторону десятого агрегата».

По описанию момента подъема ротора агрегата видно, что он выходил из шахты «сухим». Фонтан из шахты ударил значительно позже. Фонтан разрушил перекрытие машзала и поддерживающие его конструкции над тремя агрегатами. Фрагменты перекрытия при разрушении разлетались до 5-го агрегата. Если бы ротор поднимался одновременно с фонтаном, то Олег Мякишев (да не покинет его ангел-хранитель и в дальнейшем!) этого интервью не смог бы дать.

Фонтан над станцией

На рис. 11 – момент удара фонтана из шахты ГА-2. На мониторе время – 08.15.34. Т.е. момент удара фонтана отстоит от момента начала аварии агрегата на 2 минуты, 9 секунд.

Что произошло за эти 129 секунд?

Ротор агрегата, выйдя «своим ходом» из шахты на уровень воды нижнего бьефа, продолжал вращаться. При выходе турбины из своей камеры и полном освобождении проходного сечения отсасывающей трубы уровень воды в отсеке ГА-2 не поднимался выше уровня нижнего бьефа. Вращающаяся турбина (обратившаяся в гребной винт) удерживала ротор на этом уровне.

От перекосов (или от сварки при трении в верхнем лабиринте) крышка турбины вошла в прочное соединение с ротором, и тоже начала вращаться вместе с ним. Выступающими из крышки деталями (в основном лопатками направляющего аппарата) при вращении было раздолблено (отфрезеровано, срезано) устье шахты турбины. Устье шахты превратилось в кратер (рис. 12).

В 08.15.34. при вращении от ротора агрегата отвалился обод ротора электрогенератора (вес обода ротора электрогенератора около 700 тонн) и упал в образовавшийся кратер в устье шахты. Упав, он провалился на такую глубину, при которой его нижняя часть вошла в зону выхода воды из спиральной камеры (из статора турбины) (рис. 13, 14, 15).

На рис. 14 видно, что верхние торцы полюсов ротора находятся почти на одном уровне с опорным кольцом статора турбины.

При таком положении обод ротора частично перекрыл сток воды в отсасывающую трубу и перенаправил поток воды, выходящей из статора турбины. Вода, выходя из статора турбины (по межколонным каналам) в горизонтальном направлении, при входе во внутреннее пространство обода изменила направление и устремилась вверх. Из шахты турбины ударил мощный фонтан (рис. 15).

Время 08.15.34 – это момент начала развития аварии ГА-2 до масштабов техногенной катастрофы.

С этого момента у всех, находившихся в машинном зале станции, не осталось никаких шансов на спасение.

Геннадий Рассохин,
специально для «Плотина.Нет!»

Ссылки

1. «Авария на СШГЭС: виноваты ли шпильки?» https://www.plotina.net/sshges-rassokhin/

2. «Гидродинамические факторы аварии на Саяно-Шушенской ГЭС» https://www.plotina.net/sshges-rassokhin-5/

3. «Фонтан над Саяно-Шушенской ГЭС» https://www.plotina.net/sshges-rassokhin-10/

4. «Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 года в филиале Открытого Акционерного Общества «РусГидро» – «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего».

5. «Саяно-Шушенская ГЭС и закон о промышленной безопасности» https://www.plotina.net/sshges-rassokhin-6/

6. «Авария на СШГЭС: о видах изломов шпилек крышки гидроагрегата № 2» https://www.plotina.net/sshges-shpilki-rassokhin/

7. «Саяно-Шушенская ГЭС и закон о промышленной безопасности (часть 2)» https://www.plotina.net/sshges-rassokhin-7/

8. «Саяно-Шушенская ГЭС и закон о промышленной безопасности (часть 3)» https://www.plotina.net/sshges-rassokhin-8/

9. О расследовании технических причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС https://www.plotina.net/sshges-rassokhin-9/

10. Авария на Каширской ГРЭС http://rutube.ru/video/71a5162a48b0fb4ba91cd6b93a80f216/

11. Брызгалов В.И. «Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций». Сибирский ИД «Суриков», 1999, 560 с.

12. «Уроки аварий на Саяно-Шушенской ГЭС и Нурекской ГЭС» https://www.plotina.net/sshges-nges-rassokhin/